EFECTO DE LOS CAMBIOS DE CARGA SOBRE EL GENERADOR SÍNCRONO OPERANDO SOLO.
Para entender el funcionamiento de un generador síncrono cuando se encuentra funcionando solo, es preciso examinar el generador alimentando una carga y vamos a ver lo que sucede.
Lo primero que se debe hacer para alimentar una carga es que el generador debe estar girando a la velocidad de sincronismo, esta velocidad es impuesta por un primomotor acoplado al eje de la máquina y a su vez él es el responsable de la frecuencia de generación. Lo segundo que debe existir es que el generador debe tener una tensión en bornes Va igual a la tensión nominal de la carga. La tensión y frecuencia deben mantenerse constantes durante toda la operación del generador, pero al colocarse carga estas dos variables cambian porque cambia su entorno. En este blog se simulará la máquina síncrona trabajando como generador con cargas:
Vamos a examinar el generador cuando se le coloca una carga con factor de potencia unitario o con carga meramente resistiva como se muestra en el circuito equivalente de la figura 1. Lo primero que sucede es que hay una corriente de carga IL porque se cierra el circuito, esta corriente hace caer la tensión en los terminales de la máquina Va, además la componente de IL que está en fase con la tensión Eg produce un torque de carga τc lo que hace que la velocidad del primomotor baje y por ende la frecuencia también. Como el generador siempre debe operar a frecuencia constante y tensión en bornes constante, estas dos variables deben corregirse para normalizar la operación del generador.
Para llevar nuevamente el generador a la frecuencia nominal se debe aumentar la potencia del primomotor y para aumentar la tensión se debe aumentar la corriente de campo If. Estas dos variables se deben modificar siempre en este mismo orden para no descompensar el funcionamiento del generador.
Para el análisis matemático se parte de la ecuación del estator que se enuncia como:
Generador con carga resistiva.
Cuyo diagrama fasorial se muestra en la figura 2.
Figura 2. Diagrama fasorial con carga resistiva.
Como el factor de potencia de una carga resistiva es 1, esto significa que el ángulo entre la tensión y la corriente es cero, o dicho de otra manera, la tensión y corriente están en fase. En el circuito equivalente se presenta una caída de tensión en la resistencia del estator dada por RsIa esta caída está en fase con la tensión en bornes del generador Va, también en el estator se presenta una caída jXsIa; que está desfasada 90 con respecto a RsIa; y la suma de las tres nos da la tensión generada Eg.
Ahora vamos a analizar que sucede si se aumenta la carga, es decir se aumenta la corriente del estator. Lo primero que sucede es que las caídas de tensión en la resistencia RsIa aumenta y la caída en la reactancia jXsIa también aumenta. Lo que conlleva a que la tensión en bornes se reduzca. Pero como la carga siempre debe alimentarse a tensión nominal se debe compensar esta caída de tensión aumentando la tensión generada Eg o lo que es igual se debe aumentar la corriente de campo If. Otro fenómeno que sucede es que el ángulo de potencia δ aumenta y por ende la potencia absorbida por la carga aumenta y la velocidad del primomotor disminuye, lo que significa que la frecuencia de la tensión generada disminuye y se debe aumentar la velocidad para volver a generar a la frecuencia nominal.
Figura 3. Aumento de la corriente de carga.
Ahora vamos a analizar que sucede si se disminuye la carga. Lo primero que sucede es que las caídas de tensión en la resistencia RsIa disminuyen y la caída en la reactancia jXsIa también disminuye. Lo que conlleva a que la tensión en bornes aumente. Pero como la carga siempre debe alimentarse a tensión nominal se debe reducir este aumento de tensión disminuyendo la tensión generada Eg o lo que es igual se debe disminuir la corriente de campo If. Otro fenómeno que sucede que el ángulo de potencia δ disminuye y por ende la potencia absorbida por la carga disminuye y la velocidad del primomotor aumenta, lo que significa que la frecuencia de la tensión generada aumenta y se debe disminuir la velocidad para volver a generar a la frecuencia nominal.
Figura 4. Disminución de la corriente de carga.
Generador con carga inductiva.
Ahora examinaremos el generador con una carga inductiva o se va a extraer una corriente que tiene un ángulo θ de atraso con la tensión en bornes Va. El diagrama fasorial se presenta en la figura 5, donde se puede apreciar que la caída de tensión en la resistencia RsIa; también presenta un ángulo θ de desfase con la tensión en bornes Va, la caída de tensión en la reactancia síncrona jXsIa; está tiene un ángulo de 90º con respecto a la caída de tensión en la resistencia, la tensión generada Eg es la suma de las tres componentes. Como se puede apreciar el ángulo δ entre la tensión generada y la tensión en bornes aumenta, este aumento se debe a la potencia que se disipa en la resistencia del estator. Para mantener la tensión en bornes constante se debe aumentarse la corriente de campo If y la frecuencia se debe compensar aumentando la velocidad del primomotor.
Figura 5. Diagrama fasorial por fase de un generador síncrono con un factor de potencia en atraso.
Generador con carga capacitiva.
Ahora se analizará en generador síncrono con una carga capacitiva o con factor de potencia en adelanto, en este caso la corriente Ia tiene un ángulo de desfase θ pero está adelantada a la tensión en bornes Va. Las caídas de tensión y en la resistencia RaIa está adelantad a la tensión Va y la caída de tensión en la reactancia jXsIa también lo está, como se puede ver en la figura 6 la tensión generada Eg es menor en magnitud que Va y se puede decir entonces que el generador trabaja subexcitado. Sin embargo, el ángulo de potencia δ aumenta debido a la potencia adicional que se disipa en la resistencia del estator. En conclusión, al generador se le debe reducir la tensión generada y aumentar la velocidad en el primomotor.
Figura 6. Diagrama fasorial por fase de un generador síncrono con un factor de potencia en adelanto
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